基于UWB 定位技術(shù)的監(jiān)所智能巡控管理系統(tǒng)

編者按：本文提出通過使用超寬帶高精度室內(nèi)定位技術(shù)，實時記錄巡邏軌跡和警務(wù)人員在每個監(jiān)室窗口前的停留觀察時間。這將作為警務(wù)人員的工作考核依據(jù)，徹底解決對警務(wù)人員巡邏任務(wù)無法有效監(jiān)督的長期問題，為監(jiān)所增添一道有力的安全防護(hù)屏障。

長期以來，警務(wù)人員的巡邏行為無法得到有效的監(jiān)督，國家法律規(guī)定的警務(wù)人員定時巡視監(jiān)室的工作內(nèi)容變得敷衍了事，巡而不視的現(xiàn)象已經(jīng)成了常態(tài)。這不僅造成巡控崗位的效用大打折扣，還會疏漏監(jiān)所中隱藏的眾多安全隱患問題，釀成嚴(yán)重后果。

隨著定位傳感器、數(shù)據(jù)采集裝置、多元化組網(wǎng)通信等技術(shù)的廣泛應(yīng)用，通過定位感知技術(shù)提升監(jiān)所安全等級，促 進(jìn)監(jiān)所管理的智能化已經(jīng)成為可能。

方案設(shè)計

1.總體實現(xiàn)架構(gòu)

本文提出的設(shè)計方案總體架構(gòu)如圖1 所示。在監(jiān)所巡邏走道內(nèi)每隔30～50 m布設(shè)接收一個UWB 超寬帶信號的接收基站，巡邏警務(wù)人員需佩戴企業(yè)員工工牌尺寸的定位標(biāo)簽卡，基站和標(biāo)簽卡中均設(shè)有UWB 信號處理模塊，標(biāo)簽卡保持廣播UWB信號狀態(tài)，基站設(shè)置為實時掃描并接收UWB 信號狀態(tài)?；緦⒔邮盏男盘柾ㄟ^以太網(wǎng)傳送至軟件系統(tǒng)端，系統(tǒng)端的位置解算模塊將標(biāo)簽卡數(shù)據(jù)實時解算成警務(wù)人員位置信息。定位功能模塊則根據(jù)位置解算模塊傳送的位置信息對警務(wù)人員巡邏位置及巡邏行為進(jìn)行實時界面展示與監(jiān)督。

圖1 方案架構(gòu)圖

2.硬件設(shè)計

本文方案的硬件設(shè)計部分為佩戴在巡邏警務(wù)人員身上的定位標(biāo)簽卡，和安裝在巡邏區(qū)域的定位基站。下面對設(shè)計原理和思路進(jìn)行介紹。

（1）UWB移動標(biāo)簽設(shè)計方案

定位標(biāo)簽卡的作用是實時將警務(wù)人員信息和時間戳信息，通過UWB 廣播信號形式發(fā)送出去。為了增強定位標(biāo)簽卡的實用性，標(biāo)簽卡設(shè)計為能在警務(wù)人員遇到危險時實時SOS 報警，標(biāo)簽低電量時發(fā)出充電指示提醒，標(biāo)簽靜置一段時間后進(jìn)入休眠模式保證功耗續(xù)航。為了實現(xiàn)上述功能，UWB 標(biāo)簽由充電管理、DW1000系統(tǒng)、MCU 系統(tǒng)、震動傳感器、報警系統(tǒng)和顯示系統(tǒng)組成。具體實現(xiàn)架構(gòu)如圖2 所示。

圖2 移動標(biāo)簽設(shè)計原理圖

圖3 基站設(shè)計原理

由總體硬件設(shè)計框架可知，嵌入式程序主要實現(xiàn)以下功 能：SOS 報警；UWB 原 始信號廣播傳輸；震動監(jiān)測；電量管理。設(shè)計思路是主控程序定時啟動DW1000 模塊發(fā)送UWB 信號數(shù)據(jù)幀，并定時檢測當(dāng)前系統(tǒng)的震動狀態(tài)，震動狀態(tài)下整機處于工作狀態(tài)，停止?fàn)顟B(tài)下將啟動整機停機狀態(tài)。同時，實時檢測按鍵，響應(yīng)按鍵操作，上傳報警指示；還可以改變指示燈的工作狀態(tài)，來指示當(dāng)前MCU系統(tǒng)狀態(tài)，長亮表示充電狀態(tài)，快速閃爍表示初始化狀態(tài)，0.5s閃爍并閃爍10 次表示報警狀態(tài)。

（2）UWB 參考定位基站設(shè)計方案

UWB 參考基站的作用是實時掃描移動標(biāo)簽發(fā)送的UWB 信號幀，并將信號及基站自身的信息數(shù)據(jù)打包實時上傳到服務(wù)端系統(tǒng)。整體設(shè)計主要由POE 供電系統(tǒng)、DW1000 系統(tǒng)、MCU 系統(tǒng)、以太網(wǎng)通信系統(tǒng)、串口通信、EEPROM 存儲、適配器供電系統(tǒng)（預(yù)留）和WiFi 通信（預(yù)留）等組成。此外，驅(qū)動支持串口通信和EEPROM 存儲。具體基站設(shè)計原理如圖3 所示。

圖4 智能巡控管理系統(tǒng)功能框架

系統(tǒng)功能模塊設(shè)計

智能巡控管理系統(tǒng)以感知層移動目標(biāo)點位置數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過定位系統(tǒng)服務(wù)器采集感知層定位基站接收的移動標(biāo)簽卡的數(shù)據(jù)，基站本身數(shù)據(jù)，進(jìn)行綜合位置解算，以此判斷警務(wù)人員巡邏過程中的位置和移動軌跡，并結(jié)合視頻聯(lián)動數(shù)據(jù)，實時分析和監(jiān)督警務(wù)人員的巡邏任務(wù)完成情況。

監(jiān)所智能巡控管理系統(tǒng)運行流程如圖4 所示：感知層數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)上傳到服務(wù)端之后，服務(wù)端通過UDP數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)接收。因為數(shù)據(jù)幀發(fā)送頻率較快，數(shù)據(jù)會持續(xù)滾動產(chǎn)生，而且數(shù)據(jù)量較大，本文設(shè)計將數(shù)據(jù)存儲到大數(shù)據(jù)貯存庫，同時，通過非關(guān)系數(shù)據(jù)庫MongoDB 對其進(jìn)行半年的存儲作為短期備查。在業(yè)務(wù)層設(shè)計方面，本文采用RabbitMQ 消息中間件進(jìn)行中轉(zhuǎn)緩存，和Web 端業(yè)務(wù)展示系統(tǒng)進(jìn)行HTTP 數(shù)據(jù)通信，將位置和移動行為軌跡進(jìn)行實時的界面展示。對于業(yè)務(wù)層數(shù)據(jù)，系統(tǒng)架構(gòu)采用分布式原理，將地圖數(shù)據(jù)和警務(wù)人員業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)、包括姓名、工號和組織架構(gòu)等，通過Restful API 接口層與前端進(jìn)行通信及功能交互。

系統(tǒng)的實現(xiàn)功能主要有：

1.定位解算和數(shù)據(jù)概覽。系統(tǒng)通過定位解算功能模塊，實現(xiàn)定位數(shù)據(jù)的解算，并在解算引擎中保存解算的定位日志。根據(jù)實時業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，從多個維度進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，得出監(jiān)所的警員出勤情況、突發(fā)事情發(fā)生及處理情況、警務(wù)人員工作任務(wù)完成情況等。

2.實時定位。系統(tǒng)通過底層感知數(shù)據(jù)和持久層的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，將位置數(shù)據(jù)實時展示在中控大屏界面上，監(jiān)所管理人員可以在中控室大屏上實時看到警務(wù)人員的實際巡邏移動軌跡。

3.軌跡回放。系統(tǒng)可保存歷史軌跡數(shù)據(jù)，并可根據(jù)個性化需求展示警務(wù)人員在歷史巡邏任務(wù)中的移動軌跡，查看警務(wù)人員在每個監(jiān)室停留觀察的執(zhí)行情況。

4.SOS 報警。警務(wù)人員遇到危險時可通過移動標(biāo)簽的SOS 報警按鈕進(jìn)行求助，按下SOS 告警按鍵之后，智能巡控管理系統(tǒng)會收到信號，并發(fā)出語音提醒。

5.巡邏行為智能分析。系統(tǒng)通過智能分析模塊，實時統(tǒng)計分析警務(wù)人員的巡邏任務(wù)完成質(zhì)量，并給出客觀考核的評判結(jié)果，作為警務(wù)人員的績效考核判斷依據(jù)。

6.視頻聯(lián)動。系統(tǒng)可根據(jù)實時定位情況，聯(lián)動附近的攝像頭，實現(xiàn)定位和視頻的聯(lián)動監(jiān)控查看功能。

應(yīng)用實例及分析

本系統(tǒng)已在江西某看守所投入運行。智能巡控管理系統(tǒng)的實時監(jiān)控界面可通過中控室大屏上直觀展示，實現(xiàn)對警務(wù)人員的巡邏行為監(jiān)控。另外，除了實時監(jiān)控，還可以通過時間和姓名檢索，查看警務(wù)人員的某一天的巡邏軌跡，實時地看到警務(wù)人員的歷史巡邏情況。并可點擊視頻聯(lián)動。現(xiàn)場應(yīng)用證明，智能巡控管理系統(tǒng)為監(jiān)所巡邏監(jiān)督管理提供了更加智能化并且更加有效的監(jiān)督手段，保證了警務(wù)人員巡邏任務(wù)的完成質(zhì)量，提升了監(jiān)所的安全系數(shù)，且系統(tǒng)運行穩(wěn)定。

1.警務(wù)人員巡邏行為考核

通過實時定位分析，可以統(tǒng)計警務(wù)人員巡邏次數(shù)、每日巡邏時間、對每個監(jiān)室的停留觀察時間，并設(shè)定閾值判定每個監(jiān)室停留觀察時間是否合格，以此計算出警務(wù)人員的巡邏成績，并作為民警巡邏工作的考核判定依據(jù)。

2.智能分析評判

監(jiān)所智能巡控管理系統(tǒng)中，最為核心的關(guān)注點為警務(wù)人員的每日巡邏次數(shù)、警務(wù)人員對監(jiān)室巡邏觀察的時間、警務(wù)人員巡邏總時間、發(fā)現(xiàn)處理的緊急事件，它們分別表征了警務(wù)人員的出勤情況，對每個監(jiān)室停留觀察情況，應(yīng)對處理突發(fā)事件情況。通過這些數(shù)據(jù)的對比分析，可以看出警務(wù)人員的巡邏任務(wù)的完成質(zhì)量。智能巡控管理系統(tǒng)以數(shù)據(jù)可視化的形式從多個維度對數(shù)據(jù)分析結(jié)果進(jìn)行呈現(xiàn)。

（1）警務(wù)人員對每個監(jiān)室巡邏總時間對比

智能巡控管理系統(tǒng)投入使用之后，相較于之前的巡更打卡統(tǒng)計方式，本文選取了6 位巡邏警務(wù)人員一個月的巡邏時間數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，警務(wù)人員的巡邏時間平均增加38%，對每個監(jiān)室停留觀察的時間有了保障，巡而不視的問題得到了解決。

（2）監(jiān)所內(nèi)沖突危險等事件發(fā)生率統(tǒng)計

三個月內(nèi)沖突危險等事件的統(tǒng)計數(shù)據(jù)對比分析后表明，相比之前的巡更打卡系統(tǒng)，智能監(jiān)督管理系統(tǒng)的智能監(jiān)督在突發(fā)危險事件的控制效果顯著，監(jiān)所內(nèi)的各種沖突危險等事件平均降低47%以上。其中對可疑行為觀察力度增強，三個月內(nèi)發(fā)現(xiàn)的可疑行為數(shù)量增加50%以上。

總結(jié)

本研究提出的監(jiān)所智能巡控管理系統(tǒng)，借助物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)采集大量數(shù)據(jù)，結(jié)合視頻感知技術(shù)并通過多個維度數(shù)據(jù)分析來實現(xiàn)有效監(jiān)督警務(wù)人員巡邏任務(wù)的完成質(zhì)量，加強了監(jiān)所的安全管理，徹底解決了監(jiān)所內(nèi)執(zhí)行巡邏任務(wù)警務(wù)人員巡而不視的問題。

通過智能巡控管理系統(tǒng)的應(yīng)用，監(jiān)所內(nèi)打架斗毆事件明顯減少，監(jiān)所內(nèi)被監(jiān)管人員的行為更加規(guī)范，不服從管理的數(shù)量和行為明顯減少。警務(wù)人員的巡邏工作風(fēng)貌也得到了很大的改善。智能巡控管理系統(tǒng)是未來智慧監(jiān)所建設(shè)內(nèi)容的重要組成部分，在未來監(jiān)所智能化改革中將發(fā)揮重要的作用。